Des physiciens de l’Université du Massachusetts à Amherst affirment qu’un neutrino de très haute énergie détecté par l’expérience KM3NeT pourrait être la signature d’une explosion d’un « trou noir primordial quasi-extrême », pointant vers une nouvelle physique au-delà du modèle standard.
Les trous noirs existent, et nous comprenons bien leur cycle de vie : une vieille et grande étoile tombe à court de carburant, implose dans une supernova extrêmement puissante et laisse derrière elle une zone d’espace-temps avec une gravité si intense que rien, pas même la lumière, ne peut s’en échapper. Ces trous noirs sont incroyablement lourds et essentiellement stables.
Mais, comme l’a souligné le physicien Stephen Hawking en 1970, un autre type de trou noir, un trou noir primordial, pourrait être créé non pas par l’effondrement d’une étoile, mais à partir des conditions primordiales de l’Univers peu après le Big Bang.
Les trous noirs primordiaux n’existent jusqu’à présent qu’en théorie et, comme les trous noirs standards, sont si massivement denses que presque rien ne peut leur échapper. Cependant, malgré leur densité, ces objets pourraient être bien plus légers que les trous noirs que nous avons observés jusqu’à présent.
De plus, Hawking a montré que les trous noirs primordiaux pouvaient émettre lentement des particules via ce que l’on appelle maintenant le rayonnement de Hawking s’ils devenaient suffisamment chauds.
« Plus un trou noir est léger, plus il devrait être chaud et plus il émettra de particules », a déclaré le Dr Andrea Thamm, physicien à l’Université du Massachusetts à Amherst.
« À mesure que les trous noirs primordiaux s’évaporent, ils deviennent de plus en plus légers et donc plus chauds, émettant encore plus de rayonnements dans un processus incontrôlable jusqu’à l’explosion. »
« C’est ce rayonnement Hawking que nos télescopes peuvent détecter. »
« Si une telle explosion devait être observée, elle nous donnerait un catalogue définitif de toutes les particules subatomiques existantes, y compris celles que nous avons observées, comme les électrons, les quarks et les bosons de Higgs, celles dont nous n’avons fait que des hypothèses, comme les particules de matière noire, ainsi que tout ce qui est jusqu’à présent totalement inconnu de la science. »
En 2023, l’expérience KM3NeT a capturé cet impossible neutrino – exactement le genre de preuve que le Dr Thamm et ses collègues présumaient que nous pourrions bientôt voir.
Mais il y avait un problème : une expérience similaire, appelée IceCube, également mise en place pour capturer des neutrinos cosmiques de haute énergie, non seulement n’a pas enregistré l’événement, mais elle n’a jamais rien chronométré, même au centième de sa puissance.
Si l’Univers est relativement épais de trous noirs primordiaux et qu’ils explosent fréquemment, ne devrions-nous pas être inondés de neutrinos de haute énergie ? Qu’est-ce qui peut expliquer l’écart ?
« Nous pensons que les trous noirs primordiaux avec une ‘charge sombre’ – ce que nous appelons des trous noirs primordiaux quasi-extrémaux – sont le chaînon manquant », a déclaré le Dr Joaquim Iguaz Juan, physicien à l’Université du Massachusetts à Amherst.
« La charge sombre est essentiellement une copie de la force électrique habituelle telle que nous la connaissons, mais qui inclut une version très lourde et hypothétique de l’électron – un électron sombre. »
« Il existe d’autres modèles plus simples de trous noirs primordiaux », a ajouté le Dr Michael Baker, également de l’Université du Massachusetts à Amherst.
« Notre modèle de charge sombre est plus complexe, ce qui signifie qu’il peut fournir un modèle plus précis de la réalité. »
« Ce qui est génial, c’est de voir que notre modèle peut expliquer ce phénomène autrement inexplicable. »
« Un trou noir primordial avec une charge sombre a des propriétés uniques et se comporte d’une manière différente des autres modèles de trous noirs primordiaux plus simples », a déclaré le Dr Thamm.
« Nous avons montré que cela peut fournir une explication à toutes les données expérimentales apparemment incohérentes. »
L’équipe est convaincue que non seulement leur modèle de charge sombre des trous noirs primordiaux peut expliquer le neutrino, mais qu’il peut également répondre au mystère de la matière noire.
« Les observations des galaxies et du fond cosmique micro-onde suggèrent qu’il existe une sorte de matière noire », a déclaré le Dr Baker.
« Si notre hypothèse de charge noire est vraie, alors nous pensons qu’il pourrait y avoir une population importante de trous noirs primordiaux, ce qui serait cohérent avec d’autres observations astrophysiques et expliquerait toute la matière noire manquante dans l’Univers », a déclaré le Dr Iguaz Juan.
« L’observation du neutrino de haute énergie a été un événement incroyable », a déclaré le Dr Baker.
« Cela nous a ouvert une nouvelle fenêtre sur l’Univers. Mais nous pourrions maintenant être sur le point de vérifier expérimentalement le rayonnement de Hawking, d’obtenir des preuves de l’existence de trous noirs primordiaux et de nouvelles particules au-delà du modèle standard, et d’expliquer le mystère de la matière noire. »
Les résultats paraissent dans la revue Physical Review Letters.
